某跨江大桥地基基础稳定性分析中的若干问题探讨

仲云飞 （江苏省建苑岩土工程勘测有限公司，江苏 南京 210029）

某跨江大桥地基基础稳定性分析中的若干问题探讨

仲云飞 （江苏省建苑岩土工程勘测有限公司，江苏 南京 210029）

以某跨江大桥为例，针对地基基础设计中存在的诸如分析方法、本构模型和接触面单元、计算参数以及施工仿真等方面的有争议的部分问题进行了分析，提出了解决途径并明确了在指导设计中的意义，为指导设计、施工提供理论指导。

地基基础；稳定性分析；本构模型；施工仿真

1 工程概况

跨江大桥建设规模大、投资高、安全性问题突出，大桥基础的稳定性问题一直是交通道桥领域研究的热点和难点问题。某跨江大桥地基第四纪覆盖层厚度达300m，桥墩下采用大直径钻孔灌注桩后注浆。由于覆盖层厚度大，桩端实际位于相对较软弱的土基上。对于此类超大直径的群桩基础是否稳定、桩身轴力分布、桩承台内应力、桩基础沉降、水平位移与各桥墩的位移等问题都应该明确。

大型垮江桥梁的基础对沉降和变形以及受力情况有着极其严格的要求。某跨江大桥索塔基础采用直径2.5m，桩长120m，平均桩间距6.25m的超大、超长的钻孔灌注桩基础，对于大直径、超长度以及复杂水文地质条件下的桩基础设计是否能够按照现有传统的基础设计规范进行设计，是设计人员重点关注的问题。另外，基础、结构以及地基土层作为共同作用体，传统的规范方法无法模拟三者的共同作用，基于现行规范的施工图设计的可靠性和可信性存在一定的问题。基于上述考虑，为保证大桥在基础施工及运营期的安全，有必要对大桥地基基础稳定性分析中的几个关键性技术问题进行明确。

2 群桩基础与土体共同作用研究

2.1 现有分析方法及不足

目前大多数研究群桩-土-承台结构共同作用分析方法的出发点都基于弹性半空间基础上建立的布辛奈斯克(Boussinesq)解和明德林(Mindlin)解。两者的相同点是是把地基土视为各向同性弹性体,忽略了土的非均质性等因素，区别在于布辛奈斯克解所针对的应力应变关系都是在弹性半空间的表面，而明德林解可以在弹性半空间体内任何一点。对此规范设计中作了若干简化假定，但简化和假定主要是基于中小型桩基的大量实践经验，实践表明，按此计算，与实际观测报告相比，沉降明显偏大，设计相对偏于安全的，经济型有待商榷。在规范推荐公式的基础上部分学者和研究人员进行了修正和补充完善，取得了大量有益的成果，比如Butterfield和Banerjee[1]采用明德林位移基本解建立的弹性分析方法和Chow[2]将理论t-z曲线[3]非线性分析法。对该跨江大桥基础等特大型群桩基础，国内外的实例和经验均少，不能完全依赖于经验的、简化的常规设计方法，有必要引入新的思路和分析方法。

围绕大直径超长群桩基础的承载性能研究，国内外学者和研究人员主要从模型实验和数值模拟分析入手，在此基础上得到符合性验证结果并推荐相应的计算方法。鉴于超大型项目如本文所提及的大桥，在超厚软弱地层和复杂的水文地质条件下研究和工程实例在国内外还很少见，故有必要对设计中常见的几个问题进行明确。

2.2 基础设计中的主要问题

某跨江大桥两个主塔基础场地覆盖层厚度300m左右，桩端位于地层分布相对较稳定及层厚较均匀的沉积地层中，桩长120m左右。基础的面积、体积及刚度大，同时，群桩效应导致桩基的受力不均，桩基沉降大，超大桩长的摩擦桩的受力机理非常复杂[4]。设计施工中面临的主要的技术问题是超长大直径钻孔灌注桩承载性能复杂，桩的受力特性、桩基沉降、轴力的分配规律等；在不同时间效应、不同荷载工况下，复杂的水文条件下群桩的受力、沉降更为复杂。

3 解决思路

大型复杂群桩基础通常根据变形进行基础设计，对此，有限元数值分析法提供了较好的解决思路和方法，该采用数值模拟法，假设地基土水平成层，同一土层均质，各项同性，土体为理想弹塑性材料，桩为线弹性材料。将桩、土、承台一起作为脱离体分析其受力变形，在求解中自然地体现它们之间的共同作用。从原则上讲，能够模拟桩基的实际工作性能，如尺寸效应，刚度影响荷载作用方式及大小。该法可以充分考虑土层的应力应变非线性特性，土层的非均质性（成层性），考虑复杂的荷载状态和复杂的桩土界面特性条件，桩土响应的时间效应施工效应及群桩效应等。通过计算，还可以给出每根桩、每个局部，在加荷的每个阶段的受力变形状况。因此有必要通过三维非线性有限元计算分析，可以更好地回答大桥桩基础设计中的变形等稳定性分析问题，进一步论证设计的合理性，更恰当地评价桩基础的安全性，或者提出实施中需要注意的薄弱环节。目前有限元数值模拟方法的难点主要在于桩、土体本构模型的合理选择和本构模型的参数选取方面，文章对几个关键性问题进行相关探讨。

4 土体本构模型及接触面单元的选取

4.1 土体本构模型的选择

土体应力变形的非线性特性对能否准确模拟土体及结构物的应力变形特性有重要影响，从而影响到土与结构共同作用的性质，应当选择恰当的土体本构模型对这种非线性特征进行描述。针对目前的设计方案，采用非线性三维有限元方法考虑桥墩群桩、承台、地基土的共同作用，模拟实际的荷载条件、边界条件、土体的非线性特性，计算其受力变形。演算过程表明，土的本构模型采用邓肯－张双曲线非线性弹性模型吻合度较好。

在模型建立方面，应充分考虑结构刚度对基础变形和受力的影响，将桩基础施工分为多个不同阶段进行模拟，在模拟过程中应当考虑桩土接触问题、施工的时间效应、结构的刚度和注浆加固等多种情形下基础沉降和应力分布的规律。总体来讲，模型的建立以省时、可行和可靠为目的。

4.2 接触面单元的选择

由于桩体材料为混凝土，混凝土模量远高于桩侧土体的模量，在水平或竖直荷载作用下，桩土之间必然存在位移，同时考虑到由于水下作业钻孔灌注桩采用护壁泥浆必然对桩周土体产生扰动，桩周存在与桩间土性质不同的区域，在此条件下，因此设置接触面单元更符合实际边界条件。

接触面单元主要有两种型式：①Goodman单元[5]，无厚度，形式简单，应用便捷，能够考虑到接触面变形的非线性特质，缺陷是实际工程中两侧单元可能相互嵌入，法向位移可能产生偏差，通用解决方案是受压时弹性系数取大值，受拉时取小值，但是物理意义不明确，实际使用时尚应结合水文条件、施工工况等条件时应加以修正。②有厚度的薄单元，如Desai单元[6]等。Desai单元概念与实际工况比较吻合，能够较好的模拟结构面的错动、剪切等接触状态，更符合实际。但是依据Desai的建议薄单元的厚度，可取单元长度的0.01～0.1取值，范围过大。实际应用中，取值过大，与实际单元接近，失去模拟意义；取值过小，计算精度下降。为了了解接触面单元厚度对计算的影响，应该对几种不同厚度的接触面单元作对比计算，并对模型进行相应修正。

4.3 计算参数的取值

数值模拟计算参数的合理确定关系到计算成果的合理与否。模型主要涉及的桩土材料力学参数有：桩体的弹性模量、泊松比、土体的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角等。其中桩体的参数较为明确，可以有规范或试验值参考。但是土体弹性模量等取值难以确定，对计算结果影响甚大。设计人员常常依据经验公式，以勘察报告提供的压缩模量进行换算取值，人为因素大，缺乏理论依据，导致不同取值下的沉降计算结果相差过大。大比例模型试验精度高，试验后可得到本构模型和相应参数，但是对于一般情况，鉴于现场模拟难度大、费用高，故目前设计人员仍然多采用室内试验数据如三轴仪固结排水试验、固结试验、直剪试验等的结果近似确定，这就对勘察报告的质量提出了很高的要求。由于室内试验与岩土的原始实际受力条件通常不符，依据岩土工程勘察报告提供的三轴固结排水曲线、固结排水剪试验数据和直剪试验数据进行整理取值，模拟结果沉降将相当大。这是由于室内试验由于土的扰动，无法保存原来的结构性，实际土体在百米深处存在相当大的自重应力，取出后应力释放。但如果试验时并未先加荷到原来的压力后再开始逐级加荷，就会造成了压缩模量偏小。为此，室内土工试验数据应尽可能还原土的原始状态，试验前可先进行自重应力下的预固结等前期试验，可以需要利用固结试验和直剪试验资料确定对应土层的参数。沉降计算时仍应结合已有计算经验并参照其它类似工程，实际使用加以数据修正。

有厚度接触面单元也需要强度指标，实际上弹性模量和泊松比也是非线形的。考虑到桩基施工时对桩周土的扰动，以及泥皮效应会使桩基及土的强度和模量不同程度的降低。对于接触面强度降低的问题。水利大坝工程作过不少接触面变形试验，主要用大比例模型结合大型直剪仪进行，模拟精度较高。故在大型桥梁基础设计与三维模拟时，可参照类似水利工程中的参数进行取值，实践证明效果较好。

5 施工过程的仿真

某垮江大型桥梁基础的承台设计厚度大，一般为12m，远超一般中小规模项目承台，在计算模拟时应当将其分级，模拟时应随着荷载增加逐步增加单元。同时应模拟混凝土浇筑、硬化过程，浇筑初期，刚度强度均低，作为柔性材料，无法调整各桩之间的荷载分配，只能将荷载传到紧挨其下的桩体上。如果桩的布置是均匀的，荷载也是均匀的，那么各桩承担的荷载就大体一致。当承台混凝土强度和模量都达到设计值后，承台将均匀下沉，承台所受的桩反力就变得不均匀了，也就是承台将调整桩轴力的分布。因此，承台是柔性还是刚性对桩群轴力的分布有显著影响。设计计算中应当模拟这种混凝土由软到硬的过程。

水流冲刷对桩基的影响，跨江大桥水文地质条件复杂，随着桩基施工的进行导致桩周土体被水流反复冲刷，影响桩基础的承载性能，鉴于深水环境下大型桥桩基础从建设到施工、使用期河床冲刷等经验较少，对此积累的冲刷条件下桩基础的承载性能研究亦少见。目前仍然多采用经验或半经验公式，但已有的研究成果和资料表明其基本的规律是随着冲刷深度的增加，基础存在回弹效应[7]，对应的存在临界深度，对此，有待进一步深入研究。

[1]Butterfield R，Bane rjee P K.The Problem of Pile-Group-Pile Cap Interaction.Geotechnique，1971，21(2)：135-142.

[2]Chow Y K.Analysis of Vertically Loaded Pile Groups.International Journal for Numerical and Analytical Meth-ods in Geomechanics，1986,10：59-72.

[3]Kraft L M，Ray R P，Kagawa T.Theoretical t-z Curves.Journal of the GeotechnicalEngineering Division，ASCE，1978，104 (GT12)：1465-1488.

[4]程晔.超长大直径钻孔灌注桩承载性能研究[D].南京：东南大学，2005.

[5]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：水利电力出版社，1996.

[6]殷宗泽.土工数值计算[M].北京：水利电力出版社，1994.窗体底端

[7]袁灯平.大直径超长桥梁桩基与群桩基础竖向承载特性及沉降控制研究[D].上海：同济大学，2007.

U445.55

B

1007-7359（2016）06-0124-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.047

仲云飞（1977-），男，江苏海安人，毕业于河海大学，硕士，高级工程师。